中國農業大學/云南農業大學合作揭示β-石竹烯調控植物間信號傳遞以促進植物防御逆境的分子機制

植物源揮發有機物（volatile organic compounds, VOCs）在植物間通訊和防御逆境方面發揮重要作用，但其分子機制大都未知。β-石竹烯（β-caryophyllene, BCP）是一種VOC，它能被松樹、擬南芥、水稻、玉米等植物分泌，參與植物防御生物脅迫和非生物脅迫。在擬南芥中，BCP通過茉莉酸（JA）通路發揮作用，積累的JA及其衍生物可促進BCP的生物合成；在煙草中，發現TOPLESS家族轉錄共抑制因子（TPL/TPR）是BCP的靶點。然而，BCP如何與TPL/TPR互作、如何通過JA通路發揮作用的機制仍然未知。

近日，中國農業大學劉俊峰/王冬立團隊聯合云南農業大學朱書生團隊在Plant, Cell & Environment在線發表了題為β-Caryophyllene Competes with NINJA/IAAs for TOPLESS Family Corepressors to Regulate Plant Physiological Activities的研究論文，深入揭示了BCP調控植物激素信號的分子機制。

TPL/TPR有兩個結構域：N端的TPD結構域和C端兩個串聯的WD結構域。由于WD結構域通常作為骨架參與蛋白間互作，作者推測TPD參與BCP的互作。作者以水稻TPR2的TPD（OsTPR2-TPD）為研究對象，以BCP的代謝物BCPO作為對照（圖1A）。通過分子對接和計算，發現BCP結合在OsTPR2-TPD表面的疏水口袋（圖1B），并通過單點突變和表面等離子共振（SPR）進行了驗證（圖1C）。已知該疏水口袋用于結合JA通路的轉錄抑制因子NINJA和生長素通路的轉錄抑制因子IAA1/IAA10。結構疊加發現，BCP和NINJA、IAA1/IAA10結合在OsTPR2-TPD的同一位置（圖1D），且BCP的結合強于NINJA、IAA1/IAA10（圖1E），SPR實驗表明BCP可將NINJA和IAA1/IAA10從OsTPR2-TPD競爭下來（圖1F）。進一步地，體內實驗表明BCP可誘導水稻對稻瘟菌的抗性（圖1G），可影響植物的JA/IA-Ile和IAA水平（圖1H），以及JA和生長素信號通路基因的表達水平（圖1I）。與之不同，獨角金內酯（SL）的轉錄抑制因子D53也與OsTPR2-TPD互作，但BCP與OsTPR2-TPD的互作并不影響D53（圖1D-E）。

圖1 BCP在植物中的作用

(A) BCP和BCPO的結構式。(B-C) BCP與OsTPR2-TPD的復合物結構及驗證。(D-F) BCP與NINJA、IAA1/IAA10的競爭效應及驗證。(G) BCP誘導水稻對稻瘟菌的抗性。(H) BCP影響植物的激素水平。(I)BCP影響植物JA和生長素信號通路基因的表達。

綜上，BCP通過競爭結合TPL/TPR以調節JA或IAA的信號，從而促進植物對生物和非生物脅迫的防御能力；JA及其衍生物可傳遞到相鄰植株、促進BCP的生物合成，進而形成了BCP-TPR/TPL-JA/auxin-植物抗性以及植物間通訊的閉環（圖2）。

圖2 BCP促進植物免疫和通訊的模型

中國農業大學植物保護學院博士生李賽杰為該論文第一作者, 中國農業大學植物保護學院劉俊峰教授和王冬立副教授為該論文共同通訊作者。云南農業大學朱書生教授和葉辰博士對本項研究提供了重要協助。研究得到了國家自然科學基金、中國農業大學2115人才發展計劃的支持。

論文鏈接：

http://doi.org/10.1111/pce.70561